波浪能发电技术研究范文

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《能源与环境杂志》2014年第三期

1波浪能发电技术

1.1波浪发电的原理波浪发电的原理主要是利用波浪运动的往复力、浮力产生动力或位能差。利用海洋波浪发电的方法大致有3种：①是利用海洋波浪的上下运动所产生水流或空气流，使水（气）轮机转动，从而带动发电机发电；②利用海洋波浪装置的前后转动或摆动产生水流或气流，使水（气）轮机转动，从而带动发电机工作，产生电；③将低压大波浪变为小体积的高压水，然后把水引入高位水池积蓄起来，使它形成了水位的高度差，再来冲动水轮发电机发电［2］。

1.2波浪能发电技术的分类波浪能发电是通过波浪能装置将波浪能转换为往复机械能，再通过动力摄取系统转换成所需的动力或电能。现有的波浪利用技术有很多种型式，按结构形式可分为振荡水柱式、摆式、越浪式、筏式、鸭式、点吸收式等几种形式，介绍如下。（1）振荡水柱式。振荡水柱式波能装置是最普通的海洋波浪能转换器。其工作原理是利用1个与海水连通的容器装置，通过波浪作用，驱动气室内水柱作往复运动，使得水面位置发生变化，引起容器内的空气体积变化，通过压缩容器内的空气产生作用力驱动叶轮工作，带动发电装置发电。振荡水柱波能装置的优点是相对脆弱的机械部分只与往复流动的水流或空气流接触，不与海水接触，防腐性能好；通过气室将低速波浪能量转换成高速运动的气流，传递方便，安全可靠，故障少、维护方便。其缺点是转换效率低，建造费用高。（2）摆式。摆式波能发电是商用波浪发电的重要方式。其工作原理较为简单，即利用海洋波浪的运动推动机械摆发生转动或摆动，将波浪能转化为机械能。与机械摆相连的通常是液压装置，它将机械摆的机械能转化成液压泵的机械能与液压能，再驱动发电机发电。摆式波浪能转换装置具有频率响应范围宽、结构简单易制造、可靠性好、建造费用相对较低、常海况条件转换效率高等许多优点；不足是机械部分与海水接触极易损坏、不易维修、转换效率较高但不稳定、可靠性差。（3）越浪式。越浪式波浪能量转换装置在进行波浪能转换时，通常有2个转换过程：首先将波浪能转化为可供涡轮电机运行的机械能，实现能量的1次转换过程；然后通过涡轮电机将机械能转化为电能进行输出，实现能量的2次转换过程。其优点是装置活动部件较少，整体稳定性较高，可靠性好，波浪能量转换效率较高，维护费用较低，在大浪时系统电力输出稳定；不足之处是小浪下的系统转换效率较低。（4）筏式。筏式波浪能发电装置利用海洋波浪筏通过铰链互相铰接在一起，组成波浪能量转换系统（通常是液压的），转换系统置于每一个铰接处，波浪的运动使波面筏沿着铰接处弯曲，从而反复压缩液力活塞并输出机械能。当装置的固有频率与波浪的频率接近或相一致时，即形成共振，装置的输出效率最高。筏式技术的优点是波浪筏之间仅有角位移，即使在大浪下，该位移也不至于太大，故抗风浪性能较好；缺点是装置顺浪向布置，单位功率下材料的用量比垂直浪向布置的装置大，可能造成装置成本较高。（5）鸭式。鸭式波浪能发电装置的得名是由装置的形状和运行特性类似鸭的运动，波浪入射波的运动使得动压力推动转动部分绕轴线旋转，流体静压力的改变使浮体部分作上下往复运动，动能和位能同时通过液压装置转化，再通过液力或电力系统把动能转换为电能。其优点：转换效率较高，调节鸭身质心可以使其自有频率与波浪运动频率相同或者接近，从而形成共振，可以达到最大的转换效率；缺点：装备复杂从而造成可靠性较差，尤其在恶劣的海洋环境下，装置极易损坏。（6）点吸收式。点吸收式波浪能发电装置是目前发展较好的波浪能转换装置。该技术采用浮子捕获波浪能，通过浮子连接的液压装置将波浪能转化为液压能，再通过发电机工作输出电能。点吸收装置的优点是捕获波浪能效率以及转换效率均较高；浮子制造的成本相对较低；能量易收集，可以多个装置组合成大规模发电系统。不足是抵抗极端天气的能力差。

2波浪能发电技术的研究现状

波浪能的利用最早可追溯到1799年的法国人吉拉德父子的波浪能机械发明专利，但那时的波浪能研究主要在波浪能转换装置的发明上，真正实用的波能发电装置较少。1955年世界上首台波浪能发电机组产生后，越来越多的专家学者都致力于波浪能发电技术的深入研究。20世纪70年代，许多海洋国家积极开展波浪能开发利用技术，取得了较大的进展。英国对波浪能的研究十分重视，英国致力于威尔斯气动透平的利用、原型波力发电机组、导航浮标波力透平发电机组及小型波能转换器［4］等研究，它的波浪发电技术居世界领先水平。日本由于是个岛国，国土狭小，资源紧张，因此对波浪能研究和开发也相当活跃，开展的波浪能研究项目有：海明号波能发电船、摆式波能装置、导航用波力发电装置等；波浪能转换技术实用化方面走在了世界前列。挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置等。瑞典在上世纪80年代进行了30kW软管泵原型装置的现场试验，并在西班牙大西洋岸外建了1座1000kW的波力示范电站。据不完全统计，已有28个国家（地区）研究波浪能的开发，建设了上千台大小波力电站，总装机容量超过80万kW，其建站数和发电功率分别以每年2.5%和10%的速度上升［4］。我国对波浪发电的研究自20世纪70年代开始。对波浪能发电的研究最早是在上海兴起的，我国将波浪能开发技术研究确定为国家重点科技项目，将波浪能的开发研究提高到国家的层面，以推进对海上波浪能资源的开发利用，努力实现可持续发展的目标。1984年广州能源研究所成功设计开发了应用在航标灯上的小型波浪能发电装置，并大批应用到了我国沿海海域的航标灯上；20世纪末期开始研制30kW摆式波力电站和100kW岸式波力电站。总之，我国波浪发电研究虽然起步较晚，但在国家科技攻关技术、“863”计划支持下，发展迅速。微型波浪发电技术已经成熟，并已商品化，小型岸式波浪发电技术也已进入世界先进行列。但是中国波浪发电装置示范试验的规模远小于挪威和英国，试验的开发方式类型远少于日本，且小型装置距实用化还有一定距离，装置运行的稳定性和可靠性等还有待提高。

3发展趋势

海洋波浪能资源丰富，能流密度较大、分布最广的能量。如何能够高效地收集大面积的波浪能，并集中转化为机械能，再将其转换成电能，是一个集合机械、物理、力学、防腐、海洋科学等多领域的难题。因此，尽管人们很早就致力于对它的开发利用。但目前这方面的技术还不纯熟，海洋波浪能研究和利用处于试验研究阶段，很多实验装置在海上进行实验，也有一些装置正在试运行发电。波浪能发电技术还处于发散状态，存在各种技术沿着不同方向发展，但发展趋势是不断地向高效率、高可靠性、低造价方向发展，以形成低成本的成熟技术，最后通过规模化生产和应用，可大幅降低发电成本。多元化和综合利用是波浪能发电技术的另一新动向。结合防波堤等港工和海工设施建造波浪电站，为波能利用开辟新途径。波浪电站的建立可以结合海上工程进行，波浪发电的成本大幅度下降。电站的吸收能作用，可以减轻作用在海工建筑的波浪载荷，增加可靠性。多种可再生资源利用的结合有发展空间：如波浪能与太阳能、风能和海洋热能的综合利用；波浪能提取深层海水和供氧以及改善海水牧场和养殖场的养分；利用波浪能清除海洋污染；波浪能海水谈化、制氢、提取海洋中的贵重元素等。虽然波浪能发电技术还有很多的技术难题，但在相关高技术后援的支持下，海洋波浪发电技术日趋成熟，为人类在新世纪充分利用波浪能展示了美好的前景。

作者：陈韦余顺年詹立垒钟启茂单位：集美大学机械与能源工程学院